基因遗传转录和翻译

第一节　基因的结构

基因是合成有功能蛋白质多肽链或RNA所必需的全部核酸序列(通常是DNA序列)，是遗传物质的最小功能单位。从功能讲，基因可以分为3类:第1类是具有转录和翻译功能的结构基因和调节基因，结构基因编码蛋白质，包括编码酶和结构蛋白;调节基因可编码阻遏蛋白。第2类是只有转录功能而没有翻译功能的基因，包括tRNA基因和rRNA基因。第3类是不转录的基因，它对基因表达起调节控制作用，包括启动基因和操纵基因。此外，根据基因的行为和功能还有:移动基因、间隔基因和重叠基因。移动基因是从染色体的一个位置转移到另一位置或者在不同染色体之间移动，又可称为转座子(transposon);间隔基因是基因转录区中位于编码基因之间的，与翻译蛋白质无关的间隔序列;重叠基因(overlapping gene)是在同一段DNA序列中存在两个基因的核苷酸序列彼此重叠的现象。

根据基因在真核细胞中的分布可分为:核基因和核外基因。核基因位于细胞核内的DNA分子中;核外基因位于细胞核外的细胞器线粒体和叶绿体的DNA分子中，称为线粒体基因和植物细胞的叶绿体基因。

细胞中遗传信息的流动和表达正是通过这些基因的密切合作才能得以实现。

一、基因的分子结构

DNA分子中遗传信息的传递是以基因的形式进行的。人的基因大多数为割裂基因(split gene)，分别提出这一概念的科学家Richard J．Roberts和Phillip A．Sharp获得了1993年度诺贝尔医学奖。一般而言，一个基因包括转录调控区域、转录区和终止子(基因下游3'端不转录的核苷酸序列)。以β-珠蛋白基因为例(图8-2)，图8-2A、B为基因控制区域，可以调控基因的转录，图8-2C外显子的突变可导致失活变异蛋白的出现，图8-2D内含子的突变可能导致剪接的错误从而编码没有功能的蛋白质。调控区域中的启动子引导RNA聚合酶与基因的正确部位结合，启动转录;而终止子具有终止RNA聚合酶继续移动的功能，其中转录区分为编码区和非编码区。编码区包括一个起始密码子(通常是AUG)、编码密码子和一个终止密码子(UAA、UAG或UGA)。非编码区(转录不翻译区域)包括位于编码区两侧5' UTR(包括一个核糖体的结合位点和一个转录起始信号)和3'UTR(含有一个转录终止信号)以及编码区中的间隔区域称为内含子(转录不翻译区域)。

图8-2　真核细胞基因的典型结构及其发现者Richard J．Roberts和Phillip A．Sharp

二、遗传信息的表达及流动方向(中心法则)

DNA分子中的遗传信息是由4种碱基的不同组合通过转录将其所携带的遗传信息“传抄”给mRNA，进而mRNA通过遗传密码将其翻译成特定蛋白质的氨基酸序列。这种遗传信息由DNA通过转录和翻译，形成蛋白质的过程称为基因表达。

细胞内遗传信息的流动方向遵守中心法则(central dogma)(即从DNA转录至mRNA，最后流向蛋白质)。1965年由Crick提出中心法则，他认为生物遗传信息的流向是从核酸到蛋白质。此后，由于反转录酶等一系列发现，对其进行了补充和修正。修正后的中心法则还包括mRNA，通过反转录酶合成形成DNA的方式(图8-3)。

图8-3　中心法则示意图

三、遗传信息流动的规则(遗传密码)

DNA所蕴藏的遗传信息通过转录和翻译，最后表达形成蛋白质。这种遗传信息的流动(传递)必须遵循一定的规则，即由DNA通过碱基互补转录至mRNA后，由mRNA分子上相邻的3个碱基排列形成1个遗传密码子，最后1个密码子决定合成一种氨基酸，所有密码子称为遗传密码(表8-l)。由于R．W．Holley，H．G．Khorana和M．W．Nirenberg在破译遗传密码及其在蛋白质合成中的作用研究方面作出突出贡献而获1968年度诺贝尔奖。

在64个密码子中，有3个终止密码子，它们是UAA、UAG和UGA。终止密码子也叫标点密码子或叫无意义密码子。有2个密码子AUG和GUG同时兼作起始密码子，其中AUG使用最普遍。一般认为，遗传密码的特征包括:①连续性，遗传密码是连续而无标点符号，2个密码子之间也没有任何核苷酸加以分隔。②方向性，密码子的阅读方向与mRNA合成方向一致，从5'→3'端。③兼并性，mRNA有4种碱基，3个相邻的碱基构成1个密码子，所以mRNA可以有4³= 64个密码子决定所有20种氨基酸。1个密码子决定1种氨基酸，而1种氨基酸可以由2种或2种以上密码子决定，这种现象称为密码子的兼并。具有兼并作用的密码子称为同义密码子。1种密码子具有2种作用被称为兼职密码子，如AUG，既是起始密码子，又是甲硫氨酸的密码子。④通用性，遗传密码同样适用于病毒、原核细胞和真核细胞(线粒体和叶绿体稍有不同)。

表8-1　遗传密码表